Badanie i zastosowania półprzewodnikowego modułu Peltiera jako pompy ciepła.

Transkrypt

1 ĆWICZENIE 38 B Badaie i zastosowaia ółrzewodikowego modułu Peltiera jako omy cieła Cel ćwiczeia: ozaie istoty zjawisk termoelektryczych oraz ich oisu, wyzaczeie efektywości modułu Peltiera jako omy cieła, wyzaczeie zależości różicy temeratur między gorącą i zimą stroą modułu Peltiera od atężeia rądu stałego łyącego rzez moduł, wyzaczeie zależości tej różicy temeratur od atężeia rądu rzemieego w celu ilustracji roli cieła Joule a, wyzaczeie wartości wsółczyika efektywości modułu Peltiera (figure of merit) Zagadieia: zjawiska Seebecka i Peltiera, wsółczyik termoelektryczy, wsółczyik Peltiera, bilas mocy modułu Peltiera, efektywość chłodzeia i efektywość eltierowskiej omy cieła Wrowadzeie Zjawiska termoelektrycze: zjawisko Seebecka i Peltiera, a także Joule a, odgrywają iezwykle ważą rolę we wsółczesej auce i techice Zjawisko Seebecka jest wykorzystywae do omiaru temeratury i zmia temeratury w wielu urządzeiach omiarowych kalorymetrach (różicowej aalizie termiczej (ag DTA) i różicowej kalorymetrii skaigowej (ag DSC)), układach do omiarów rzewodości cielej oraz omiarach eergii różego tyu romieiowaia Zjawisko to jest wykorzystywae rówież do bezośrediego rzetwarzaia eergii cielej a eergię elektryczą w ajbardziej sektakularym zastosowaiu: w radio-izotoowym geeratorze termoelektryczym, stosowaym do zasilaia sod kosmiczych i łazików marsjańskich Zjawisko Peltiera jest zjawiskiem odwrotym do zjawiska Seebecka Wykorzystywae jest do budowy om cieła i układów chłodzących stosowaych w chłodictwie Koleje waże zastosowaia obejmują medycyę (kriochirurgia, chirurgia gałki oczej, zamrażaie tkaek, chłodzeie rearatów biologiczych, także w trakcie trasortu) Podobie elektroika ie może obejść się bez zjawiska Peltiera, do chłodzeia rocesorów, oktowizorów, diod laserowych, a także w wymrażarkach różiowych i iych miiaturowych urządzeiach wymagających obiżoej temeratury Zjawisko zajduje też zastosowaie do wytwarzaia zmieego w czasie ola temeraturowego w kalorymetrii eltierowskiej Nawet w sorcie i rekreacji moża sotkać wykorzystaie zjawiska Peltiera, chłodzeie sortowych kasków motocyklowych, czy małe lodówki dla odróżików Z tych względów zjawiska termoelektrycze ależą do kaou edukacji iżyierskiej Zjawiska termoelektrycze - odstawowe ojęcia i krótka historia Do zjawisk termoelektryczych zaliczae są: zjawisko Joule a, Seebecka, Peltiera i Thomsoa Poiżej rzedstawioa jest istota tych zjawisk oraz krótka historia ich odkrycia Zjawisko Joule a Zjawisko to, azywae rówież zjawiskiem Joule a Leza, olega a zamiaie eergii elektryczej a cieło odczas rzeływu rądu rzez oorik Cieło ΔQ J geerowae odczas rzeływu rądu elektryczego o atężeiu I rzez oorik R w czasie Δt I Rt () Q J Zjawisko zostało odkryte rzez agielskiego fizyka Jamesa Prescotta Joule a w 840 roku Dwa lata óźiej iezależie zjawisko odkrył Heirich Friedrich Lez, rosyjski fizyk o iemieckich korzeiach

2 Zjawisko Seebecka Zjawisko Seebecka olega a geerowaiu siły elektromotoryczej między złączami wykoaymi z dwóch różych materiałów A i B, rzewodzących rąd elektryczy (rys a) Jeżeli te złącza mają róże temeratury, to różica otecjałów między złączami jest oisaa rzybliżoym rówaiem: V A B T T () gdzie: A i B to wsółczyiki Seebecka dla materiałów A i B, tworzących złącza, a T i T temeratury tych złączy a) b) Rys (a) Ilustracja zjawiska Seebecka, zademostrowaa w 8 roku - ołączeie miedzi i bizmutu (b) Istrumet Seebecka (fotografia: Fu Je Uiversity, Tajwa) Warto zwrócić uwagę a to, że aięcie termoelektrycze ie zależy od wymiarów geometryczych materiałów tworzących złącze Dla metali i ich stoów wsółczyiki Seebecka są rzędu dziesiątków mikrowoltów a kelwi, a dla materiałów ółrzewodikowych o rząd, a awet dwa rzędy większe, dlatego wsółczese urządzeia termoelektrycze wykorzystują materiały ółrzewodikowe Metale są jedak adal wykorzystywae, w termoarach (rys), służących do omiaru temeratury gorącego końca względem zimego Rys Ilustracja zasady działaia termoary Za odkrywcę oisywaego zjawiska termoelektryczego uzaje się iemieckiego uczoego Thomasa Johaa Seebecka, który w 8 roku stwierdził, że igła magetycza umieszczoa między ołączoymi a obu końcach łytkami wykoaymi z miedzi i bizmutu ulega wychyleiu, jeżeli jedo ze złączy zostaie ogrzae (rys b) Porawej iterretacji tego zjawiska dokoał twórca elektromagetyzmu, duński fizyk Has Christia Ørsted, który wrowadził ojęcie zjawisko termoelektrycze

3 3 Zjawisko Peltiera Zjawisko Peltiera olega a wydzielaiu lub ochłaiaiu cieła rzez złącze różych metali lub ółrzewodików odczas rzeływu rzez to złącze rądu elektryczego (rys3) Rys 3 Ilustracja zjawiska Peltiera Za odkrywcę tego zjawiska uzaje się fracuskiego zegarmistrza, fizyka i meteorologa Jeaa Charlesa Athaase a Peltiera, który w 834 roku stwierdził, że temeratura złącza wykoaego z różych metali zmieia się, gdy rzez złącze rzeływa rąd elektryczy W 838 roku Heirich Friderich Lez wykazał, że w zależości od kieruku rzeływu rądu moża zamrozić lub stoić krolę wody umieszczoą a złączu, a efekt ciely zależy od atężeia rądu rzeływającego rzez to złącze Cieło ΔQ wydzielae lub ochłaiae rzez złącze odczas rzeływu ładuku elektryczego q moża oisać za omocą rówaia: dq Q q It lub I (3) dt gdzie ozacza wsółczyik Peltiera zależy od właściwości materiałów tworzących złącze, a I atężeie rądu łyącego rzez to złącze Ze wzoru (3) wyika, że efekt ciely ie zależy od wymiarów geometryczych złącza i jest roorcjoaly do atężeia rądu Porawej i ełej iterretacji zjawisk termoelektryczych a grucie rozważań termodyamiczych dokoał wybity fizyk irladzki Wiliam Thomso (Lord Kelvi) w 856 roku Thomso wykazał związek między wsółczyikiem Seebecka i Peltiera oraz odkrył owe zjawisko termoelektrycze olegające a wydzielaiu lub ochłaiaiu cieła odczas rzeływu rądu elektryczego rzez rzewodik, w którym wystęuje gradiet temeratury, azywae zjawiskiem Thomsoa Związek między wsółczyikiem Seebecka i wsółczyikiem Peltiera oisyway jest zależością: T (4) 4 Zjawisko Thomsoa Zjawisko Thomsoa zostało oisae w 85 roku Polega oo a geerowaiu lub ochłaiaiu cieła Q T odczas rzeływu rądu rzez rzewodik, w którym wystęuje gradiet temeratury dt/dx dqt dt T I (5) dt dx gdzie T ozacza wsółczyik Thomsoa Wsółczyik te związay ze wsółczyikiem Seebecka zależością: d T T (6) dt 3

4 Termoelektrycze omy cieła Proste omy cieła Rys 4 Ilustracja zjawiska Thomsoa Pomy cieła są to urządzeia, które obierają cieło z iskotemeraturowego źródła i rzekazują je do obiektu ogrzewaego, budyku Rozatrzmy układ rzedstawioy a rys5 Wioski wyikające z oisu ojedyczej termoary moża rzeieść a układ termoar ołączoych elektryczie szeregowo, a cielie rówolegle Są cztery złącza: A-B, B-A, A-C i C-A Przy rzeływie rądu, zgodie z rysukiem 6, dwa złącza bliżej ogiwa będą obierały cieło z otoczeia (ze źródła cieła), dwa ozostałe będą oddawały cieło do otoczeia (do odbiorika cieła) Nastąi rzeomowaie cieła z zimych złączy termoar do gorących Zakładamy, że ie ma oorów cielych między złączami a źródłem i odbiorikiem cieła Odwróceie bieguów ogiwa elektryczego zmiei kieruek rzeływu rądu, a tym samym kieruek omowaia cieła a rzeciwy Rys 5 Ilustracja zasady działaia eltierowskiej omy cieła W rzyadku omy cieła zime złącza termoar muszą mieć ierzerway dostę do źródła cieła (żeby było co omować) Natomiast w rzyadku chłodziarki gorące złącza muszą mieć zaewioy ierzerway odbiór cieła (żeby udało się chłodzić) W module Peltiera (rys 6 i 7) wykorzystuje się wiele ołączoych ze sobą elemetów termoelektryczych Jedak zasada działaia ozostaje iezmiea 4

5 Rys 6 Fotografia modułu Peltiera (widok z boku) Rys 7 Idea modularej budowy chłodziarki Peltiera Okładziy ceramicze są izolatorami elektryczymi, do tego mają dobrą rzewodość cielą, otrzebą do miimalizowaia oorów wymiay cieła z otoczeiem Poza tym wzmaciają kostrukcję modułu Wielkością ajbardziej iteresującą jest wsółczyik wydajości, który defiioway jest jako stosuek cieła obieraego ze źródła cieła do eergii obieraej ze źródła rądu zasilającego układ Jeśli termoara jest wola od strat, to te stosuek jest rówy wydajości cyklu Carota Q T Carot () Q Q T T Nas iteresuje moc chłodząca, to jest strumień cieła obieray ze źródła Bilas mocy modułu Peltiera rzedstawioo a rys 8 Rys8 Bilas mocy modułu Peltiera Ozaczeia a rysuku: P el moc rądu elektryczego dorowadzoego do modułu Peltiera, P J moc strat a cieło Joule a, P chł efektywa moc chłodząca, P moc Peltiera (chłodzeie), P moc Peltiera (grzaie), P rz moc rzewodzoa cielie (cieło rzewodzoe), P grz sumarycza moc grzeja rzekazywaa do odbiorika cieła, T i T temeratury odowiedio źródła i odbiorika cieła Jeżeli rąd elektryczy o atężeiu I rzeływa rzez złącze, mamy do czyieia z chłodzeiem eltierowskim źródła cieła Strumień cieła wyosi wtedy: Q T I I () P 5

6 gdzie: i ozaczają wsółczyiki Seebecka gałęzi termoary, T temeraturę źródła cieła Efekt chłodzeia jest zmiejszoy o strumień cieła rzewodzoy rzez termoarę: Q C K K T T I, (3) gdzie K i K ozaczają efektywe wsółczyiki rzewodzeia cieła gałęzi termoary, T ozacza temeraturę odbiorika cieła Chłodzeie jest dodatkowo zmiejszoe rzez cieło Joule a wydzielae a rezystacji termoary Warto zwrócić uwagę a to, że ramioa termoar są ołączoe elektryczie szeregowo, a cielie rówolegle Rezystacja termoary l l R R (4) S S gdzie: ρ i ρ ozaczają oór właściwy, l i l długości, atomiast S i S ola rzekroju gałęzi termoary Przewodość ciela termoary k l kl K K (5) S S W realych termoarach ółrzewodikowych ze względów techologiczych oraz z uwagi a to, że oór właściwy oraz rzewodość właściwa obu gałęzi termoary są zbliżoe, wymiary geometrycze obu gałęzi termoar są jedakowe Zakładamy, że moc tracoa a cieło Joule a dzieloa jest rówo omiędzy oba końce termoar Q J I R R, (6) gdzie R i R ozaczają rezystacje gałęzi termoary W celu uroszczeia zaisu wrowadzimy astęujące ozaczeia: R R K K K R T T T (7) Moc chłodzącą możemy więc zaisać jako różicę między ochodymi o czasie z cieła Peltiera, cieła rzewodzoego i cieła Joule a: q Q P Q C Q J T I KT I R (8) Moc elektrycza obraa ze źródła rądu zostaje zużyta a okoaie aięcia termoelektryczego oraz wydzieleie cieła Joule a w całej termoarze w Q Q TI I R (9) T J Na rys9 rzedstawioo zależość mocy chłodzącej modułu Peltiera od atężeia rądu łyącego rzez moduł Rys9 Zależość mocy chłodzącej modułu Peltiera od atężeia rądu łyącego rzez moduł rzy zadaej różicy temeratur omiędzy źródłem i odbiorikiem cieła 6

7 Wsółczyik efektywości chłodzeia wyosi T I KT I R TI I R (0) Z rówaia (8) wyika arabolicza zależość mocy chłodzącej modułu Peltiera od atężeia rądu Dla małych atężeń rądu cieło Peltiera ie wystarcza a skomesowaie cieła rzewodzeia i cieła Joule a, rzy czym cieło rzewodzeia jest domiujące W tym zakresie cieło chłodzące jest ujeme, iymi słowy cieło jest dostarczae, a ie obierae z układu chłodzoego (źródła cieła) Przy odowiedio dużym atężeiu rądu cieło obierae ze źródła rądu oowie jest ujeme W tym zakresie domiującym rocesem jest cieło Joule a Natężeie rądu odowiadające maksimum mocy chłodzącej otrzymujemy z waruku: dq T 0 T I R I max max () di R Dla tej wartości atężeia rądu wsółczyik wydajości jest ajwiększy Podstawiając wartość atężeia rądu odowiadającą maksymalej mocy chłodzącej do rówaia (0), otrzymujemy: T T ZT T max RK () ZTT TT RK gdzie: Z (3) KR charakteryzuje materiały, z których wykoae są elemety termoary i osi azwę wsółczyika efektywości termoary Poieważ Z ma wymiar [K - ] częściej stosoway jest bezwymiarowy wsółczyik ZT, gdzie T ozacza temeraturę racy modułu wyrażoą w K Wielkością charakteryzującą materiał termoary od względem jego rzydatości do budowy chłodziarek i geeratorów termoelektryczych jest wsółczyik efektywości Z, defiioway jako Z, (4) k k gdzie k ozacza wsółczyik rzewodości cielej, oorość właściwą, a rzewodictwo właściwe materiału Z rówań () i (3) wyika, że dobre materiały rzezaczoe do budowy modułów Peltiera owiy charakteryzować się wysokimi wartościami wsółczyika Seebecka i małą rzewodością elektryczą i cielą Moduł Peltiera jako oma cieła W rzyadku omy cieła iteresuje as cieło oddawae do źródła Cieło jest obierae z odbiorika cieła i jest sumą q q w w (5) Efektywość modułu Peltiera jako omy cieła jest to stosuek mocy rzekazywaej do obiektu ogrzewaego do mocy obieraej z zewętrzego źródła zasilającego q cm, (6) w Zwykle jest dodatie, więc efektywość jest większa od jedości 7

8 3 Zasada omiaru i układ omiarowy Zasadiczą częścią układu omiarowego jest ółrzewodikowy moduł Peltiera ołączoy z zasilaczem rądu stałego lub rzemieego Moduł Peltiera jest umieszczoy a alumiiowym wymieiku cieła częściowo zaurzoym w aczyiu z wodą lub mieszaią wody z lodem, sełiającym rolę zasobika (rezerwuaru) cieła Na module Peltiera jest umieszczoa łytka miedziaa oraz warstwa izolacji cielej W górej części alumiiowego wymieika cieła oraz w bloku miedziaym zajdują się otwory w których umieszczoe są czujiki temeratury ołączoe z termometrami elektroiczymi W celu oleszeia kotaktu cielego owierzchie styku oszczególych elemetów okryte są astą termorzewodzącą Układ jest zasilay z zasilacza rądu stałego lub rzemieego w zależości od zadań omiarowych Fotografię oraz schemat układu omiarowego rzedstawiają rysuki 0a i 0b Rys0a Układ do badaia modułu Peltiera oraz eltierowskiej omy cieła Rys0b Schemat układu do badaia modułu Peltiera oraz eltierowskiej omy cieła 4 Zadaia do wykoaia 4 Wyzaczaie srawości modułu Peltiera jako omy cieła Wyełić aczyie zimą wodą z krau Połączyć zasilacz rądu stałego z modułem Peltiera: (+) zasilacza z (-) modułu Peltiera, a (-) zasilacza z (+) modułu Peltiera (giazdo czerwoe a zasilaczu z giazdem czarym modułu Peltiera, a giazdo czare zasilacza z giazdem czerwoym modułu Peltiera) Przy takim ołączeiu blok miedziay będzie ogrzeway Zaotować temeraturę bloku miedziaego, a astęie włączyć zasilaie modułu Peltiera Zaotować atężeie rądu i aięcie zasilaia modułu Peltiera Po włączeiu zasilaia ięciokrotie co 5 s otować temeraturę bloku miedziaego (termometr wyświetla zmiay temeratury co 5 s) Wyłączyć zasilaie modułu Peltiera Oracowaie wyików Na odstawie uzyskaych wyików arysować wykres zależości zmia temeratury bloku dt T, gdzie T rzyrost temeratury bloku miedziaego w czasie t dt t Obliczyć moc obieraą z zasilacza rzez moduł Peltiera ze wzoru Pel UI, gdzie U ozacza miedziaego od czasu aięcie zasilaia, I atężeie rądu łyącego rzez moduł Obliczyć moc rzekazywaą rzez moduł Peltiera do bloku miedziaego (moc grzaia) korzystając ze wzoru: Q chł dq grz mc dt, dt dt gdzie m 30,4 g masa bloku miedziaego, c 0,3855 J / gk cieło właściwe miedzi Obliczyć srawość badaego układu jako omy cieła korzystając ze wzoru: 8

9 grz Q grz P el 4 Badaie zależości efektywości modułu Peltiera jako omy cieła od atężeia rądu Wyełić aczyie mieszaią wody z lodem Korzystając z układu i ołączeń elektryczych oisaych w ukcie 4 wyzaczyć zależość różicy temeratur między blokiem alumiiowym i blokiem miedziaym od atężeia rądu zasilającego moduł Natężeie rądu zmieiać co 0,4 A w rzedziale od zera do A Po każdej zmiaie atężeia rądu odczekać około 4 mi a ustaleie się różicy temeratur i zaotować temeratury bloku alumiiowego i miedziaego Oracowaie wyików Na odstawie uzyskaych wyików arysować wykres zależości różicy temeratur między zimą i gorącą stroą modułu Peltiera od atężeia rądu Wykres aroksymować wielomiaem drugiego stoia Na odstawie aroksymacji wykresu wyzaczyć maksymalą wartość różicy temeratur T oraz temeraturę bloku zimego T, rzy której uzyskao maksymalą max różicę temeratur Korzystając z rówaia T max ZT wyzaczyć wartość wsółczyika efektywości modułu termoelektryczego Z 43 Badaie cieła Joule a w module Peltiera Jeżeli moduł Peltiera będzie zasilay rądem rzemieym to wyadkowe cieło Peltiera będzie rówe zeru, oieważ oszczególe stroy modułu będą a rzemia grzae i chłodzoe w zależości od kieruku rzeływu rądu Zwróćmy uwagę a to, że cieło Joule a ( I Rt ) jest roorcjoale do kwadratu atężeia rądu i jest wydzielae iezależie Q J od kieruku rzeływającego rądu Połączyć zasilacz rądu rzemieego z modułem Peltiera Zasilacz staowi autotrasformator ołączoy z trasformatorem Do układu ależy odłączyć wyjście V z trasformatora orzez ameromierz rądu rzemieego, który służy do omiaru atężeia rądu Uwaga: ie wolo odłączać bezośredio wyjścia z autotrasformatora z modułem Peltiera Wyzaczyć zależość różicy temeratur między blokiem alumiiowym i blokiem miedziaym od atężeia rądu zasilającego moduł Natężeie rądu zmieiać co 0,3 lub 0,4 A w rzedziale od zera do około,5 A Po każdej zmiaie atężeia rądu odczekać około 4 mi a ustaleie się różicy temeratur i zaotować temeratury bloku alumiiowego i miedziaego Oracowaie wyików Na odstawie uzyskaych wyików arysować wykres zależości różicy temeratur między zimą i gorącą stroą modułu Peltiera od atężeia rądu rzemieego Porówać uzyskaą zależość w wyikami orzedich badań i wyjaśić rzyczyę różic tych zależości 5 Pytaia: Wyjaśić i oisać wzorami zjawiska Seebecka i Peltiera Naisać związek między wsółczyikiem Seebecka i Peltiera 3 Narysować i wyjaśić bilas mocy dla modułu Peltiera 4 Narysować schemat i wyjaśić budowę ółrzewodikowego modułu Peltiera 5 Co to jest oma cieła, wyjaśić ojęcie srawości omy cieła 6 Wyjaśić różicę między chłodziarką i omą cieła Oracowaie: Ryszard Porawski, Beata Radojewska i Wojciech Porawski 9